| 研究概要 |
復振動流中に置かれた平板近傍には振動境界層が形成されることが知られており,音響共鳴冷凍機ではこのような流れ場での伝熱機構が装置の性能を支配する.
往復振動場における伝熱を支配するスケーリングパラメータは,プラントル数,振動場に対して定義されるレイノルズ数,粒子振幅とスタック間隔の比に対応するストローハル数,粒子振幅とスタックの長さの比に対応するストローハル数,さらにはスタックと流体の熱容量比であることが理論的また数値シミュレーションによって明らかになった.スタックに沿う温度分布データと線形の熱音響理論との比較から,特にストローハル数が実験と理論の比較の不一致を埋める重要なパラメータであることが分かった.
ストローハル数が関係するものとして音響流の存在がある.共鳴管内に煙を導入して煙の拡散状態から音響流の可視化を行った.共鳴管内にスタックを設置しない場合には圧力振幅の1波長の中に1対の大きな循環流が形成されることが観察され,従来の研究結果と定性的に一致した.スタックを挿入するとスタックの両端に渦が観察され,この渦から流体の一部がエントレインされて互いの渦を結ぶように循環流が形成されることが明らかとなった.解析モデルの構築には音響流をくみ入れることが必要である.
積極的に熱輸送を促進するためにはこの振動境界層を何らかの方法で制御することが考えられる.そこで駆動側と共鳴管閉止端をバイパスして温度分布,圧力変動,速度変動などの測定を行った.その結果,バイパス管路に共鳴箱をつけることによって音響インピーダンスを変化させた場合に,速度変動の位相がスタック前後で顕著に変化し,結果として温度勾配が大きくなり,性能が向上することがわかった.一方,共鳴箱がない場合には逆に性能が低下した.ここで得られた成果は今後の音響冷凍機性能改善の方法としてかなり有効な手段になることがわかった.
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